在江河的入海處，由于淡水和海水之間的鹽度不同，海水對(duì)于淡水存在的滲透壓以及稀釋熱、吸收熱、濃淡電位差等濃度差能。這種能量可以用以轉(zhuǎn)換成電能，是通過(guò)混合海水和河水獲得的重要清潔能源，同時(shí)也是海洋能中能量密度最大的一種可再生能源。

鹽差能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)離子選擇性和低阻力傳輸?shù)倪x擇性透過(guò)膜，即當(dāng)正負(fù)離子在濃度梯度驅(qū)動(dòng)下以不同的速度通過(guò)離子選擇性膜時(shí)，將在高濃度側(cè)和低濃度側(cè)之間產(chǎn)生電勢(shì)差，從而在外電路產(chǎn)生電流。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，鹽差能發(fā)電，就是利用兩種含鹽濃度不同的海水化學(xué)電位差能，并將其轉(zhuǎn)換為有效電能。

使用仿電鰻的納米離子通道進(jìn)行鹽度差能轉(zhuǎn)換，是對(duì)以往基于離子交換膜反向電滲析技術(shù)的重要發(fā)展。近些年，二維表面帶電超薄膜材料，如氮化硼、二硫化鉬、石墨烯等，由于其極低的膜電阻，在高效滲透發(fā)電方面顯示出巨大應(yīng)用前景。然而，多孔單層膜的發(fā)電功率密度遠(yuǎn)低于預(yù)期，這主要是由于低孔密度、高膜電阻以及從單孔模型到多孔系統(tǒng)發(fā)電性能的非線性擴(kuò)展。

傳統(tǒng)的聚合物離子交換膜通?？蓪?shí)現(xiàn)正負(fù)離子的高選擇性傳輸，但其高膜電阻使離子通過(guò)速度和電流密度低，導(dǎo)致能量輸出功率密度很難超過(guò)商業(yè)化應(yīng)用的5Wm^-2的最低標(biāo)準(zhǔn)。因此，在保持正負(fù)離子選擇性的基礎(chǔ)上提高膜電導(dǎo)及離子傳輸速率是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員唐智勇和李連山團(tuán)隊(duì)通過(guò)預(yù)組裝界面聚合反應(yīng)，構(gòu)筑了大面積的共價(jià)有機(jī)框架(COF)單分子層薄膜。COF材料固有的高孔密度和單分子層的厚度使膜傳質(zhì)阻力低至極限，從而提高了膜電導(dǎo)和電流密度，在降低膜電阻的同時(shí)通過(guò)低孔間距導(dǎo)致的孔-孔耦合效應(yīng)有效抑制濃差極化引起的電壓和電流的下降，并結(jié)合極低的膜阻力實(shí)現(xiàn)了海水/河水鹽差體系中超高的發(fā)電功率密度。

這一材料設(shè)計(jì)將鹽差能轉(zhuǎn)化的輸出功率密度提高至135Wm^-2。進(jìn)一步，研究通過(guò)調(diào)控COF框架中卟啉分子的金屬中心，可實(shí)現(xiàn)真實(shí)海水/河水鹽差梯度下高于300 Wm^-2的輸出功率密度。理論模擬研究發(fā)現(xiàn)，孔-孔耦合效應(yīng)在孔間距低至4.5納米時(shí)才會(huì)發(fā)生，成為高孔密度、低孔間距COF膜材料的獨(dú)特特征，為新型鹽差能轉(zhuǎn)化材料的計(jì)提供了全新的理論支撐。

該研究表明，單分子厚度COF膜具有的周期性均勻納米孔結(jié)構(gòu)是鹽產(chǎn)能轉(zhuǎn)化的理想材料結(jié)構(gòu)。一方面COF膜的單分子層厚度能夠極大的降低離子傳質(zhì)阻力，提高膜電導(dǎo)；另一方面納米尺度的孔尺寸和孔間距產(chǎn)生新穎的孔孔耦合效應(yīng)，有效的抗衡濃差極化引起的電流和電壓的下降。此外，通過(guò)利用其結(jié)構(gòu)的多樣性和精確調(diào)控性，COF單分子層膜不僅將促進(jìn)滲透能轉(zhuǎn)換的研究，而且還將為其他低阻力膜過(guò)程的應(yīng)用開(kāi)辟新的道路，如氣體分離、離子篩分、質(zhì)子傳導(dǎo)、海水淡化、蛋白質(zhì)純化等。

4月25日，相關(guān)研究成果以Advancing osmotic power generation by covalent organic framework monolayer為題，在線發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上。

(資料參考：國(guó)家納米科學(xué)中心)

關(guān)鍵詞： 單分子層 輸出功率 離子選擇性